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Attribution of Chemistry-Climate Model Initiative (CCMI) ozone radiative flux bias from satellites

Kuai, Le und Bowman, Kevin W. und Miyazaki, Kazuyuki und Deushi, Makoto und Revell, Laura und Rozanov, Eugene und Paulot, Fabien und Strode, Sarah und Conley, Aandrew und Lamarque, Jean-Francois und Jöckel, Patrick und Plummer, David A. und Oman, Luke D. und Worden, Helen und Kulawik, Susan und Paynter, David und Stenke, Andrea und Kunze, Markus (2020) Attribution of Chemistry-Climate Model Initiative (CCMI) ozone radiative flux bias from satellites. Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), 20 (1), Seiten 281-301. Copernicus Publications. doi: 10.5194/acp-20-281-2020. ISSN 1680-7316.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
16MB

Offizielle URL: https://www.atmos-chem-phys.net/20/281/2020/

Kurzfassung

The top-of-atmosphere (TOA) outgoing longwave flux over the 9.6 µm ozone band is a fundamental quantity for understanding chemistry–climate coupling. However, observed TOA fluxes are hard to estimate as they exhibit considerable variability in space and time that depend on the distributions of clouds, ozone (O3), water vapor (H2O), air temperature (Ta), and surface temperature (Ts). Benchmarking present-day fluxes and quantifying the relative influence of their drivers is the first step for estimating climate feedbacks from ozone radiative forcing and predicting radiative forcing evolution. To that end, we constructed observational instantaneous radiative kernels (IRKs) under clear-sky conditions, representing the sensitivities of the TOA flux in the 9.6 µm ozone band to the vertical distribution of geophysical variables, including O3, H2O, Ta, and Ts based upon the Aura Tropospheric Emission Spectrometer (TES) measurements. Applying these kernels to present-day simulations from the Chemistry-Climate Model Initiative (CCMI) project as compared to a 2006 reanalysis assimilating satellite observations, we show that the models have large differences in TOA flux, attributable to different geophysical variables. In particular, model simulations continue to diverge from observations in the tropics, as reported in previous studies of the Atmospheric Chemistry Climate Model Intercomparison Project (ACCMIP) simulations. The principal culprits are tropical middle and upper tropospheric ozone followed by tropical lower tropospheric H2O. Five models out of the eight studied here have TOA flux biases exceeding 100 mW m−2 attributable to tropospheric ozone bias. Another set of five models have flux biases over 50 mW m−2 due to H2O. On the other hand, Ta radiative bias is negligible in all models (no more than 30 mW m−2). We found that the atmospheric component (AM3) of the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) general circulation model and Canadian Middle Atmosphere Model (CMAM) have the lowest TOA flux biases globally but are a result of cancellation of opposite biases due to different processes. Overall, the multi-model ensemble mean bias is −133±98  mW m−2, indicating that they are too atmospherically opaque due to trapping too much radiation in the atmosphere by overestimated tropical tropospheric O3 and H2O. Having too much O3 and H2O in the troposphere would have different impacts on the sensitivity of TOA flux to O3 and these competing effects add more uncertainties on the ozone radiative forcing. We find that the inter-model TOA outgoing longwave radiation (OLR) difference is well anti-correlated with their ozone band flux bias. This suggests that there is significant radiative compensation in the calculation of model outgoing longwave radiation.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/133324/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Attribution of Chemistry-Climate Model Initiative (CCMI) ozone radiative flux bias from satellites
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kuai, LeJPL, Pasadena, USAhttps://orcid.org/0000-0001-6406-1150NICHT SPEZIFIZIERT
Bowman, Kevin W.JPL, Pasadena, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Miyazaki, KazuyukiJPL, Pasadena, USAhttps://orcid.org/0000-0002-1466-4655NICHT SPEZIFIZIERT
Deushi, MakotoMRI, Tsukuba, JapanNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Revell, LauraUniv. of Canterbury, Christchurch, Neuseelandhttps://orcid.org/0000-0002-8974-7703NICHT SPEZIFIZIERT
Rozanov, EugenePMOD/WRC, Davos, SchweizNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Paulot, FabienNOAA, GFDL, Princeton, USAhttps://orcid.org/0000-0001-7534-4922NICHT SPEZIFIZIERT
Strode, SarahNASA Goddard, Greenbelt, USAhttps://orcid.org/0000-0002-8103-1663NICHT SPEZIFIZIERT
Conley, AandrewNCAR, Boulder, USAhttps://orcid.org/0000-0003-0061-9906NICHT SPEZIFIZIERT
Lamarque, Jean-FrancoisNCAR, Boulder, USAhttps://orcid.org/0000-0002-4225-5074NICHT SPEZIFIZIERT
Jöckel, PatrickDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-8964-1394NICHT SPEZIFIZIERT
Plummer, David A.ECCC, Montreal, Kanadahttps://orcid.org/0000-0001-8087-3976NICHT SPEZIFIZIERT
Oman, Luke D.NASA Goddard, Greenbelt, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Worden, HelenNCAR, Boulder, USAhttps://orcid.org/0000-0002-5949-9307NICHT SPEZIFIZIERT
Kulawik, SusanNASA Ames, Moffet Field, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Paynter, DavidNOAA, GFDL, Princeton, USAhttps://orcid.org/0000-0002-7092-241XNICHT SPEZIFIZIERT
Stenke, AndreaIAC, ETH Zürich, Schweizhttps://orcid.org/0000-0002-5916-4013NICHT SPEZIFIZIERT
Kunze, MarkusFreie Univ., BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:8 Januar 2020
Erschienen in:Atmospheric Chemistry and Physics (ACP)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:20
DOI:10.5194/acp-20-281-2020
Seitenbereich:Seiten 281-301
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1680-7316
Status:veröffentlicht
Stichwörter:CCMI, ESCiMo, MESSy, EMAC, ozone, radiative flux, satellite, chemiestry climate modelling, global modelling
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Atmosphären- und Klimaforschung, R - Projekt Klimarelevanz von atmosphärischen Spurengasen, Aerosolen und Wolken
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystem-Modellierung
Hinterlegt von: Jöckel, Dr. Patrick
Hinterlegt am:08 Jan 2020 12:36
Letzte Änderung:08 Jan 2020 12:37

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